高中生物理模型思維的分層測(cè)試研究
——基于SOLO分類評(píng)價(jià)理論和哥特曼量表法

袁 媛 朱寧波

(遼寧師范大學(xué)教育學(xué)院，遼寧 大連 116029)

1 問(wèn)題的提出

我國(guó)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡(jiǎn)稱“2017版高中物理課標(biāo)”)將“模型建構(gòu)”能力作為學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容,歸入科學(xué)思維素養(yǎng)指標(biāo)之中.本課題組在前期研究中,揭示了物理建模能力由“非認(rèn)知能力”、“基礎(chǔ)能力”和“專項(xiàng)能力”3個(gè)維度下的11個(gè)要素指標(biāo)構(gòu)成.[1]其中,“專項(xiàng)能力”維度下的“模型思維”是形成和發(fā)展學(xué)生物理建模能力的核心要件.教學(xué)設(shè)計(jì)原理明確指出教學(xué)設(shè)計(jì)始于對(duì)學(xué)生已有能力發(fā)展水平的認(rèn)知和定位,因而,要通過(guò)物理教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的建模能力,同樣要先準(zhǔn)確地評(píng)定學(xué)生現(xiàn)有能力水平,定位學(xué)生的能力發(fā)展階段,找到合適的發(fā)展路徑,實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力發(fā)展的進(jìn)階.然而,物理建模能力相對(duì)知識(shí)而言,處于“軟”狀態(tài),難以直觀、定量地測(cè)量和評(píng)價(jià).本研究基于SOLO分類理論,建構(gòu)了物理模型思維能力的層級(jí),并在此基礎(chǔ)上依托SOLO開放試卷設(shè)計(jì)理念編制了一套符合高中生認(rèn)知發(fā)展水平的物理模型思維試題,并利用哥特曼量表分析法對(duì)試題質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn).該研究將在一定程度上,幫助我國(guó)教育者準(zhǔn)確測(cè)量和定位高中生物理建模能力水平,從而為有效地選擇培養(yǎng)策略和設(shè)計(jì)培養(yǎng)方案提供參考和依據(jù).

2 核心概念的內(nèi)涵界定

“物理建模能力”是個(gè)體具備一定的物理建模意識(shí),并能從實(shí)際問(wèn)題中抽取核心要素及要素間的關(guān)系,進(jìn)而構(gòu)建物理模型來(lái)解釋和預(yù)測(cè)現(xiàn)象的個(gè)性心理品質(zhì).物理建模能力是一個(gè)非智力因素和智力因素相統(tǒng)一的智能系統(tǒng),它既包括在科學(xué)實(shí)踐中發(fā)揮原動(dòng)力和慣性作用的“非認(rèn)知因素”,還包括個(gè)體參與各種科學(xué)實(shí)踐所應(yīng)具備的共同的“基礎(chǔ)能力”,以及指向物理建模實(shí)踐的“專項(xiàng)能力”.其中,專項(xiàng)能力維度下的“模型思維”要素是物理建模能力的核心要件.

“模型思維”是指?jìng)€(gè)體從原始問(wèn)題情境中抽取核心要素,將原始問(wèn)題轉(zhuǎn)化成物理問(wèn)題,并建立要素間清晰的建模路徑的能力.它是最能體現(xiàn)物理建模能力不同于其他學(xué)科建模能力獨(dú)特性的關(guān)鍵品質(zhì).

“SOLO試題”是一種基于SOLO分類理論,對(duì)學(xué)生的開放式反應(yīng)做出成績(jī)?cè)u(píng)定的測(cè)量工具.[2]它運(yùn)用SOLO分類法的基本思想,將一個(gè)原始開放性問(wèn)題按照人的思維水平從低到高的難度,編制成對(duì)應(yīng)SOLO單點(diǎn)結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和拓展抽象結(jié)構(gòu)4個(gè)層次的開放性子問(wèn)題,這4個(gè)子問(wèn)題構(gòu)成一道完整的SOLO試題,進(jìn)而通過(guò)觀察學(xué)生對(duì)4個(gè)子問(wèn)題的反應(yīng)樣式來(lái)評(píng)定學(xué)生思維的發(fā)展水平.

3 物理模型思維能力的層級(jí)系統(tǒng)

模型思維的過(guò)程非常復(fù)雜,包括許多組織和連結(jié),需經(jīng)歷從“無(wú)結(jié)構(gòu)”到“有結(jié)構(gòu)”的歷程,因而難以通過(guò)傳統(tǒng)試題進(jìn)行觀察和測(cè)量.SOLO分類理論認(rèn)為通過(guò)學(xué)習(xí)結(jié)果在結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜程度的變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)或?qū)W習(xí)質(zhì)量的層次評(píng)定.在大量研究數(shù)據(jù)支撐下,Chan與 Tsui等學(xué)者認(rèn)為比格斯的SOLO分類理論對(duì)區(qū)分如模型思維這樣復(fù)雜的認(rèn)知能力最有效.[3]所以,本文借鑒SOLO對(duì)個(gè)體思維結(jié)構(gòu)從低到高劃分為前結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和拓展抽象結(jié)構(gòu)的理論,構(gòu)建物理模型思維能力的層級(jí)模型.

科學(xué)哲學(xué)家亨普爾認(rèn)為,人們必須依靠“科學(xué)理論”才能系統(tǒng)、精確、深入地理解自然現(xiàn)象和過(guò)程.[4]繼而,亨普爾又通過(guò)“空中之網(wǎng)”的隱喻揭示了科學(xué)理論的理解過(guò)程——科學(xué)理論的空中之網(wǎng)漂浮在人們經(jīng)驗(yàn)觀察的平面之上,只有經(jīng)驗(yàn)觀察面上的某點(diǎn)以某種“合理的解釋規(guī)則”與科學(xué)理論網(wǎng)絡(luò)中的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)建立連接,人們才能實(shí)現(xiàn)對(duì)科學(xué)理論的理解.金得浦、林定夷等學(xué)者認(rèn)為,在經(jīng)驗(yàn)觀察面和空中之網(wǎng)間存在的所謂“合理的解釋規(guī)則”即是科學(xué)模型,人們只有取得了關(guān)于模型的知識(shí),才能認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象,理解科學(xué)理論,模型起著橋接的作用.[5-6]由此,本文認(rèn)為模型思維能力的層次劃分應(yīng)主要考慮界于經(jīng)驗(yàn)反應(yīng)和科學(xué)理論之間的水平,即經(jīng)驗(yàn)反應(yīng)和科學(xué)理論兩個(gè)階段外在于模型思維能力水平.物理模型思維能力層次劃分如表1所示.

表1 物理模型思維能力的層級(jí)

4 物理模型思維能力試題(PMTT)的編制和質(zhì)量檢驗(yàn)

4.1 PMTT的設(shè)計(jì)和編制

2017版高中物理課標(biāo)在“考試命題建議”中，要求“試卷評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)清晰準(zhǔn)確，要摒棄單純的、知識(shí)性的描述方式，要研制基于核心素養(yǎng)的等級(jí)”．[7]物理模型思維能力試題(Physics Model Thinking Test，簡(jiǎn)稱PMTT)的編制恰逢其時(shí)，它既滿足了基礎(chǔ)教育評(píng)價(jià)模式轉(zhuǎn)變的這一要求，又實(shí)現(xiàn)了“客觀、全面、有效地收集學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展水平的信息，真實(shí)反映學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的水平”[7]的評(píng)價(jià)目標(biāo)．

PMTT的設(shè)計(jì)核心是將原始開放性問(wèn)題改編成符合SOLO的單點(diǎn)結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和拓展抽象結(jié)構(gòu)的4個(gè)子問(wèn)題．由此可知，保障PMTT質(zhì)量的關(guān)鍵是編制出與模型思維各層級(jí)精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的子問(wèn)題．通常編制子問(wèn)題的路徑有兩條：一是試題編制者預(yù)估學(xué)生可能做出的各種反應(yīng)，依此設(shè)計(jì)子問(wèn)題．這樣做可以避免預(yù)測(cè)試帶來(lái)的工作量，但預(yù)估反應(yīng)與學(xué)生真實(shí)反應(yīng)間存在較大差異，必將影響試題的信效度．本研究則采取第二種路徑，即通過(guò)小范圍預(yù)測(cè)試，獲得學(xué)生的典型答案，以此作為設(shè)計(jì)不同層級(jí)子問(wèn)題的依據(jù)．該路徑能較好地保證試題的質(zhì)量，但它要求預(yù)測(cè)試的被試必須囊括各層級(jí)的目標(biāo)對(duì)象，否則將導(dǎo)致收集不到單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平或拓展抽象水平的相關(guān)信息，給問(wèn)題設(shè)計(jì)帶來(lái)困難．

在與物理任課教師充分溝通之后，筆者有針對(duì)性地選擇了來(lái)自5所高中的物理建模能力水平存在差異的30名同級(jí)學(xué)生，向他們提供原始開放性問(wèn)題．測(cè)試后，筆者按照模型思維層級(jí)(見(jiàn)表1)將學(xué)生答案分層，并提煉各層級(jí)的典型反應(yīng)，以此作為子問(wèn)題的設(shè)計(jì)依據(jù)，最終將原始開放性問(wèn)題改編成PMTT試題．如我們將原始開放性問(wèn)題“跳繩是一項(xiàng)非常好的健身運(yùn)動(dòng)，它不僅能讓全身肌肉勻稱有力，還能讓人的呼吸系統(tǒng)、心臟、心血管系統(tǒng)得到充分的鍛煉．設(shè)某運(yùn)動(dòng)員的質(zhì)量是50 kg，他1 min跳繩180次．假定在每次跳躍中，腳與地面的接觸時(shí)間占跳躍一次所需時(shí)間的2/5．請(qǐng)問(wèn)運(yùn)動(dòng)員重力做功的平均功率是多少？”經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)試，分析學(xué)生各層級(jí)的典型反應(yīng)后，設(shè)計(jì)出的4個(gè)子問(wèn)題分別為：(1) 請(qǐng)你運(yùn)用物理學(xué)知識(shí)，說(shuō)一說(shuō)運(yùn)動(dòng)員的腳離開地面騰空過(guò)程中，所做的是什么運(yùn)動(dòng)？(2) 你能說(shuō)出運(yùn)動(dòng)員跳繩過(guò)程中，克服重力做功應(yīng)考慮什么因素嗎？(3) 請(qǐng)你說(shuō)明運(yùn)動(dòng)員從起跳到跳到最高點(diǎn)的過(guò)程中，機(jī)械能的轉(zhuǎn)化與重力做功間的關(guān)系．(4) 請(qǐng)你將運(yùn)動(dòng)員跳繩過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)員所受重力、腳離開地面的時(shí)間、騰空時(shí)間、從起跳到最高點(diǎn)的位移等因素綜合起來(lái)，解釋運(yùn)動(dòng)員跳繩時(shí)克服重力做功的平均功率．這4個(gè)子問(wèn)題按照模型思維能力水平1到水平4的順序排列，后一題是前一題的延伸和拓展，要回答后一題，就必須具備回答前一題的相關(guān)知識(shí)與能力．如果學(xué)生能夠正確回答第一個(gè)子問(wèn)題而無(wú)法回答后面3個(gè)子問(wèn)題，則表明學(xué)生模型思維能力達(dá)到了水平1的水平，得1分；如果學(xué)生能夠正確回答前兩個(gè)子問(wèn)題，得2分；以此類推．

4.2 PMTT質(zhì)量檢驗(yàn)

設(shè)計(jì)和編制PMTT,只是實(shí)現(xiàn)了測(cè)評(píng)學(xué)生模型思維的第一步,要使試題運(yùn)用于大規(guī)模的評(píng)價(jià),試題質(zhì)量檢驗(yàn)必不可少.目前,哥特曼量表分析法被認(rèn)為是檢測(cè)SOLO試題質(zhì)量的有效方法.哥特曼量表是一種具有累計(jì)特征的態(tài)度量表,通常情況下,它包含某人對(duì)某個(gè)特定對(duì)象所持態(tài)度的一組陳述.哥特曼量表按照陳述肯定程度逐步加強(qiáng)的順序排列,其邏輯起點(diǎn)是假設(shè)當(dāng)某人贊同某個(gè)陳述,就一定會(huì)贊同低于該肯定程度的其他陳述.哥特曼量表結(jié)構(gòu)與SOLO試題具有一致性,因此可以借鑒哥特曼量表分析法檢驗(yàn)PMTT的質(zhì)量.

表2 SOLO試題的反應(yīng)樣式

表2中所列出的反應(yīng)樣式被稱為“常態(tài)樣式”,而與此樣式不符的則被稱為“反常態(tài)樣式”,如[1,0,1,0].在哥特曼量表分析法中以“再現(xiàn)系數(shù)”(coefficient of reproducibility,簡(jiǎn)稱rep)作為判定SOLO試題質(zhì)量的指標(biāo),再現(xiàn)系數(shù)越大表明試題質(zhì)量越高，rep可表示為

在上式中,總反應(yīng)次數(shù)等于反應(yīng)樣式數(shù)目(SOLO類試題反應(yīng)樣式數(shù)目為5)乘以被試總?cè)藬?shù),總誤差次數(shù)等于“反常態(tài)樣式”出現(xiàn)的總次數(shù).當(dāng)rep≥0.95時(shí),該試題被認(rèn)為是完美哥特曼量表.當(dāng)rep≤0.90時(shí),則需要分析原因.導(dǎo)致這一情況的原因有二:一是試題編制問(wèn)題.如出現(xiàn)“反常態(tài)樣式”[1,0,1,0],則可能是代表關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的子問(wèn)題難度低于代表多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的子問(wèn)題;二是學(xué)生心理、生理或環(huán)境等因素影響造成的反應(yīng)誤差.假設(shè)是第二種原因?qū)е聄ep≤0.90,可以做一個(gè)近似處理,即將與其反應(yīng)樣式最為接近的“常態(tài)樣式”[1,1,1,0]作為該被試的反應(yīng)樣式的測(cè)試結(jié)果.但如果“反常態(tài)樣式”出現(xiàn)率很高,則要從試題本身的質(zhì)量去找原因.

表3 學(xué)生對(duì)“跳繩問(wèn)題”做出的反應(yīng)樣式

5 研究結(jié)論

PMTT與原始開放性試題相比，在評(píng)定學(xué)生模型思維能力的信度方面有很大提升．首先，它解決了評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一的問(wèn)題．原始開放性問(wèn)題沒(méi)有固定的結(jié)論，學(xué)生的答案五花八門，再加上評(píng)分者的主觀性，最終導(dǎo)致不同評(píng)分者對(duì)同一個(gè)學(xué)生的回答會(huì)給出差異較大的分值，難以保障評(píng)分的信度．PMTT則是將一個(gè)大的原始問(wèn)題分解成四個(gè)不同等級(jí)的子問(wèn)題，從而在一定程度上約束了評(píng)分者對(duì)學(xué)生評(píng)定的“自由度”，縮小不同評(píng)分者對(duì)同一反應(yīng)給出評(píng)分的差異，提高評(píng)分信度．其次，用PMTT測(cè)量和評(píng)價(jià)學(xué)生模型思維能力的科學(xué)性強(qiáng)．PMTT是基于標(biāo)準(zhǔn)參考方式劃分等級(jí)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)試題和評(píng)價(jià)學(xué)生的，即根據(jù)一套外在客觀的能力標(biāo)準(zhǔn)，獨(dú)立地判斷學(xué)生達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的程度，它比常模參照等級(jí)劃分方式具有明顯優(yōu)勢(shì)，例如，不同批次的測(cè)試具有可比性、等值性，測(cè)試成績(jī)只與學(xué)生自己的能力水平有關(guān)，而與其他考生的水平無(wú)關(guān)．這在很大程度上保障了測(cè)量和評(píng)價(jià)的公平性．

總之，在近年來(lái)高考制度改革背景下，試卷評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)摒棄單純的知識(shí)性的描述方式，重視研制基于核心素養(yǎng)的等級(jí)評(píng)價(jià)，那么，PMTT這樣的SOLO試題必將成為傳統(tǒng)試題的有益補(bǔ)充和未來(lái)學(xué)業(yè)水平考試的發(fā)展趨勢(shì)．